Le
projet Businova, un autobus aux innovations majeures, concours g�n�ral
Sti2d 2017.
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Analyse des choix technologiques..
1.1. Pour chaque type de bus, compl�ter les crit�res du tableau :
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Bus Businova
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Bus �lectrique
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Bus hybride
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Nombre de places
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16 places assises, 91 passagers
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faible, 40
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105
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Autonomie
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200 km
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faible, 120 km
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500 km
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Consommation de Gasoil
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15 L maxi aux 100 km
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nulle
|
38 L aux 100 km
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1.2
Identifier les diff�rentes sources d'�nergies utilis�es par un bus
hybride conventionnel et la source d'�nergie suppl�mentaaire utilis�e
par le Businova.
Bus hybride conventionnel : moteur �lectrique et moteur thermique.
Businova : moteur �lectrique, moteur hydraulique et moteur thermique.
1.3.
Au regard des impacts environnementaux et �conomiques, justifier les
choix de d�veloppement du constructeur concernant ce bus novateur
Businova : consommation �lectrique moyenne :400 Wh / km ; consommation carburant : 15 L / 100 km ; faibles �missions poluantes.
R�duction du poids de 20 %.
1.4
Compl�ter la cha�ne d'�nergie correspondant � la motorisation du bus servant � la phase d'acc�l�ration.
1.5. Citer l'actionneur sollicit� au tout d�but de la phase de d�marrage.
Le moteur-pompe hydraulique aliment� par les accumulateurs.
1.6. Lors de la phase de freinage, indiquer quel composant permet de transformer et stocker l'�nergie cin�tique.
En cas de cuves hydrauliques pleines, stockage en batterie �lectrique.
1.7.En
se pla�ant dans le cas d'une pente nulle, relever l'intervalle de temps
pour lequel les deux �nergies ( �lectrique et hydraulique) de la
motorisation sont utilis�es simultan�ment.
Entre t = 0 et t = 10 s les deux �nergies ( �lectrique et hydraulique) de la motorisation sont utilis�es simultan�ment.
1.8.
Dans le cas d'une pente nulle, compl�ter le tableau sur le niveau
maximal des couples et des puissances d�velopp�es par le moteur pompe
hydraulique et le moteur �lectrique utilis�s simultan�ment..
| Pente nulle. |
Moteur pompe hydraulique
|
Moteur �lectrique
|
| Couple maxi ( N m) |
16000
|
7200
|
| Puissance maxi ( kW) |
2,1 10-3
|
11 10-3
|
1.9. M�me question pour une pente de 10 %.
| Pente 10 %. |
Moteur pompe hydraulique
|
Moteur �lectrique
|
| Couple maxi ( N m) |
13500
|
7200
|
| Puissance maxi ( kW) |
1,8 10-3
|
11 10-3
|
1.10.
Du point de vue des puissances, v�rifier que les deux actionneurs (
�lectrique et hydraulique ) conviennent dans les deux cas de
fonctionnement simul�s.
La vitesse atteinte au bout de 10 s est de 25 km/h sur terrain plat et de 18 km /h dans le cas d'une pente de 10 %.
1.11. Relever la vitesse maximale atteinte dans la pente. Indiquer quel moteur fonctionne lorsque cette vitesse est atteinte.
27 km / h � la date t = 30 s. A cette date, seul le moteur �lectrique fonctionne.
1.12. Le conducteur a soudain besoin d'acc�l�rer au-del� de cette vitesse maximale. Evaluer la r�serve de puissance disponible.
Le moteur hydraulique peut alors d�livrer une puissance de 1,8 W.
Il peut aussi utiliser le moteur thermique.
1.13. Indiquer l'�tat des embrayages de la boite de couplage.
Sur pente nulle : d�but du d�marage : seul le moteur hydraulique fonctionne.(A)
Puis jusqu'� 30 s, la vitesse cro�t jusqu'� 50 km /h : moteurs hydraulique et �lectrique jusqu'� 10 s (B).
entre 10 s et 30 s, moteurs �lectrique et thermique (D)
Entre 30 et 40 s, la vitesse est constante, 50 km / h : moteurs �lectrique et thermique (D)
Entre 40 et 52 s, la vitesse d�cro�t jusqu'� l'arr�t : le moteur hydraulique r�cup�re l'�nergie du freinage (E )
Sur pente � 10 % : d�but du d�marage : seul le moteur hydraulique fonctionne. (A)
Puis jusqu'� 30 s, la vitesse cro�t jusqu'� 28 km /h : moteurs hydraulique et �lectrique jusqu'� 25 s (B).
Puis moteur �lectrique seul ( C)
Entre 40 et 45 s, la vitesse d�cro�t jusqu'� l'arr�t : le moteur hydraulique r�cup�re l'�nergie du freinage (E )
1.15. Calculer l'�nergie maximale r�cup�rable lors d'un arr�t avec une vitesse initiale de 50 km / h.
v = 50 / 3,6 = 13,89 m /s. Masse totale roulante m = 16 t = 1,6 104 kg.
�mv2 = 0,5 x1,6 104 x13,892 =1,54 106 J ou 1,54 106 / 3600 ~429 Wh.
1.16.
L'accumulateur hydraulique est utilis� entre 165 bar et 350 bar.
D�terminer le volume n�cessaire de stockage si l'�nergie cin�tique
r�cup�r�e lors du freinage est transf�r�e avec un rendement de 80 %.
Energie stock�e dans l'accumulateur : E = 2,5(Pnomonale -Pmini) V.
1,54 106 x0,80 = 2,5(350-165) 105 V ; 12,32=2,5 x185 V ; V =0,0266 m3 = 26,6 L.
1.17. Sachant que
la structure du bus pr�voit de r�partir le volume sur 2 cuves
identiques, choisir une r�f�rence d'accumulateur hydraulique pour ces
cuves et Pmax = 350 bar.
EHV 20- 480 / 90.
La consommation �lectrique moyenne du bus est de 400 Wh / km ( en
ternant compte des autres sources d'�nergie ). Le parcours quitidien du
bus est de 200 km. La tensiion nominale du pack de batterie doit �tre
de 165 V pour permettre un fonctionnement optimal du moteur �lectrique
associ� au convertisseur. Le pack de batterie est constitu� de 1500
cellules APM20 pour une capacit� de 588 Ah.
1.18. Calculer l'�nergie en Wh que doit fournir ce pack de batteries au cours d'une journ�e.
Energie stock�e dans les batteries : W = C U = 588 x165 =9,7 104 Wh.
Consommation �lectrique du bus : 400 x 200 = 8 104 Wh, valeur inf�rieure � 9,7 104 Wh.
Le moteur �lecttrique du bus peut �tre utilis� � 120% de sa puissance nominale pendant une dur�e limit�e.
1.19. D�terminer la
puissance demand�e � la batterie quand le moteur est � 120 % de sa
puissance nominale (180 kW) sachant que le rendement de cette partie de
la chaine est de 0,9.
180 x1,20 /0,9 = 240 kW.
Dans un premier temps, la solution retenue consiste � cr�er des
branches de n �l�ments en s�rie et de placer m branches en parall�les.
Tension nominale aux bornes d'une cellule : 3,3 V.
1.20. Calculer n et m. Repr�senter sommairement ce sch�ma.
n =165 / 3,3 = 50 ; m = 1500 /50 =30.
Dans un second temps, le fabriquant pr�f�re associer ces m �l�ments d'abord en parall�le. Puis il associe n lignes en s�rie.
1.21. Repr�senter sommairement ce sch�ma.
Chaque cellule comporte son propre fusible. En cas de d�faillance de la
cellule, le fusible intervient pour isoler la cellule d�fectueuse du
reste du montage.
1.22. Dans le cas o� une cellule est d�fectueuse, d�terminer la perte de capacit� de la batterie en % pour chaque sch�ma.
Sch�ma 1 : 50 cellules ne sont plus utilis�es : 50 / 1500 x100 =3,33 %.
Sch�ma 2 : 1 cellule n'est plus utilis�e : 1 / 1500 x100 =0,067 %.
Le fabriquant annonce une dur�e de vie de ces batteries de 10 ans. le
bus est utilis� 7 jours sur 7 toute l'ann�e � raison d'un cycle
batterie par jour.
1.2.3. Apr�s 10 ann�es d'utilisation, d�terminer la capacit� du pack de batteries.
Nombre de cycles batteries en 10 ans : 6 x52 x10 =3120.
Le pack a perdu 10 % de sa capacit� initiale. Il reste 588 x0,9 =529,2 Ah.
Energie stock�e dans les batteries : W = C U = 529,2 x165 =8,7 104 Wh.
Consommation �lectrique du bus : 400 x 200 = 8 104 Wh, valeur inf�rieure � 8,7 104 Wh.
L'autonomie du bus est garantie.
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...
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Partie 2.
2.1. Indiquer l'int�r�t d'une gare routi�re dynamique.
Une telle gare peut accueillir un trafic tr�s dense en s�parant la zone
de stockage des bus et celle de la d�pose et de la prise en charge des
voyageurs.
Un bus vient de se positionner au niveau du quai n� 7, lors de
l'ouverture des portes voyageurs, il transmet sur le r�seau
l'information :
RTB UTM 31T 375100.45E 4830087. 25N.
RTB est l'ent�te du message.
2.2. Placer sur le plan de masse une croix indiquant la position d�termin�e par le GPS du bus et transmise sur le r�seau.
2.3.
Le point situ� sur la silhouette du bus repr�sente l'antenne de son
GPS. Indiquer pourquoi la position GPS envoy�e par le bus est
diff�rente de sa position r�elle.
La pr�cision du GPS seul est de 15 m. La pr�cision du positionnement doit �tre am�lior�e par le syst�me DGPS.
2.4. Comment r�soudre cette erreur de positionnement ?
Un
GPS + un signal d'une station terrestre situ�e � moins de 5 km donnent
un pr�cision inf�rieure � 15 cm. Le probl�me est donc r�solu.
Le
premier mat�riau s�lectionn� pour la structure du bus est l'acier
inoxydable 304L (limite �lastique 1280 Mpa ; masse volumique 7850 kg m-3)
La
masse totale de la structure est alors 2772 kg. Ce premier choix est
remis en question. Les nouveaux crit�res sont les suivants :
masse volumique inf�rieure � celle de l'acier ;
limite �lastique minimale 300 MPa ; pas de surco�t de mat�riau ; r�sistance "acceptable" � l'eau sal�e.
3.1. Identifier le mat�riau pouvant r�pondre � l'ensemble de ces crit�res.
Mat�riaux disponibles
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Crit�res d'exclusion
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Mat�riau choisi ( cocher)
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alliages d'aluminium
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X
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alliage de magn�sium
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limite �lastique ; co�t ; usage limit� en eau sal�e.
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alliage de titane
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co�t.
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composites de fibre de carbone
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co�t.
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laiton
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limite �lastique ; masse volumique.
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Un bureau d'�tude propose un alliage d'aluminium ( 2900 kg m-3).
3.2. Citer l'indicateur de l'impact le plus diminu� par ce changement de mat�riau pour la phase de production.
Ecotoxicit� aquatique.
3.6.
calculer la surface de couverture de l'abribus et en d�duire la masse de l'ensemble de la couverture.
On donne L = Rq avec L longueur de l'arc en m, R le rayon de la courbure en m et q l'angle en radian.
30,55 � correspond � 30,55 / 180 x3,14 =0,533 rad.
L = 16,742 x0,533 =8,93 m.
Longueur de l'abri : 12,26 m.
Surface de la couverture : 12,26 x 8,93 ~109,44 m2.
Masse surfacique : 7,00 kg m-2.
Masse : 109,44 x 7,00 =766 kg.
3.7. D�terminer le volume des 8 fondations et en d�duire leur masse.
Volume d'une fondation : 0,7 x0,7 x1,5 =0,735 m3.
Soit pour 8 fondations : 0,735 x8 =5,88 m3.
Masse volumique ; 22000 kg m-3.
Masse des fondations : 2200 x 5,88 =12 936 kg
3.8. Calculer la masse totale de l'abri avec ses fondations et en d�duire le poids propre total.
Masse couverture + masse profils +masse profil carr� +masse fondation.
766 +1031 +1377 +624 +12936 =16734 kg.
Poids : 16 734 x9,81 =1,64 105 N.
3.9. Sachant que le
poids total support� par le sol ( abri +intemp�ries + charges
d'exploitation) est 229 332 N, v�rifier que la contrainte admissible
par le sol n'est pas d�pass�e et que le rapport de s�curit� de
3 ( contrainte admissible / contrainte r�elle ) est bien respect�.
Section d'une fondation : 0,7 x0,7 = 0,49 m2.
Section des 8 fondations : 8 x0,49 =3,92 m2 = 3,92 106 mm2.
Contrainte moyenne du sol : 229 332 / 3,92 =5,85 104 Pa ~0,06 MPa
Contrainte admisible par le sol : 0,2 MPa.
contrainte admissible / contrainte r�elle 0,2 / 0,0585 ~3,4, valeur sup�rieure � 3.
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